汽车氧传感器的分析

摘要：本文简述了氧传感器的结构和工作原理，并根据结构和工作原理分析了氧传器故障的产生原因及对汽车发动机的影响，提出了检测、诊断方法。

关键词：汽车；氧传感器；故障检测

1.引言随着汽车工业的发展，汽车尾气所带来的环境污染问题日益严重。因此，有效地控制汽车尾气，减少其对环境污染已成为当今重要的研究课题之一[1]。许多汽车在发动机排放系统中装有三元催化转换器，以降低排放污染。空燃比一旦偏离理论空燃比(14.7：1)，三元催化剂对CO，HC和NOx的净化能力急剧下降。故在排气管中插入氧传感器，根据排气中的氧浓度测定空燃比，向微机控制装置发出反馈信号，以控制空燃比收敛于理论值。汽车行业是目前国际上应用传感器最大市场之一，现在世界上汽车年产量在4000万辆以上，其中日本的年产量达1000万辆以上。从世界各国公布的专利情况来看，各主要汽车生产厂家和电气、元件生产厂家，都很重视汽车传感器的研制和生产。而氧传感器的申报专利数，居汽车传感器的首位，这反映了该传感器的技术难度和各国的重视程度[2]。控制汽车空燃比用的氧传感器在日本以每年50％-60％的速度增长。就我国来说，仅近三年需改加氧传感器的旧车就超过20__万辆，每年新生产的轿车所需的氧传感器也超过200万个。目前，一辆普通家用轿车大约要安装几十到近百只传感器，而豪华轿车上的传感器数量可多达200余只。据报道，20__年汽车传感器的市场为61.7亿美元(9.04亿件产品)，20__年达到84.5亿美元(12.68亿件产品)，增长率为6.5％(按美元计)和7.0％(按产品件数计)，所以，氧传感器(氧探头)的市场前景非常广阔，对氧传感器的研究也成为热点[3]。2.氧传感器的结构和原理发动机的空燃比一旦偏离理论空燃比，三元催化剂对CO、HC和NOx的净化能力将急剧下降。所以为了使装有三元催化转换装置的发动机达到最佳的排气净化性能，必须把混合气的空燃比控制在理论空燃比附近很窄的范围内。氧传感器用于检测进入三元催化转换装置的排气气体状态，是使用三元催化转换装置发动机上必不可少的传感器。目前已在汽车上使用的氧传感器有氧化锆式和氧化钛式两种[4]。2.1氧化锆式氧传感器氧化锆式氧传感器(见图1)的基本元件是专用陶瓷体，即氧化锆(ZrO2)固体电解质，陶瓷体制成管状(锆管)，固定在带有安装螺纹的固定套中。锆管表面装有透气铂电极，配有护管及电接头，其内表面与大气相通，外表面与废气相通，外表面还加装了一个防护套管，套管上开有通气槽。锆管的陶瓷体是多孔的，允许氧渗入该固体电解质内，温度较高时(高于300℃)，氧气发生电离，如果在陶瓷体内(大气)外(废气)侧的氧气浓度不同，就会在2个铂电极表面产生电压降，含氧量高的一侧为高电位。当混合气稀时，排气中含氧多，两侧浓度差小，只产生小的电压；反之，混合气浓时，产生高电压。传感器的电压输出特性如图2所示。根据所测电压值就可测量氧传感器外表面氧气含量，而发动机废气排放中的氧含量主要取决于混合气的空燃比，因此，ECU根据氧传感器输入的电信号分析汽油的燃烧状况，以便及时修正喷油量，使空燃比处于理想状况，即λ=1，所以这种传感器又称为λ传感器。图1.氧化锆式氧传感器在排气管中的结构图2.氧化锆式氧传感器的电压输出特性2.2氧化钛式氧传感器氧化钛式氧传感器是利用二氧化钛(TiO2)材料的电阻值随排气中氧含量的变化而变化的特性构成的，故又称为电阻型氧传感器[5]。二氧化钛是在室温下具有很高电阻的半导体，但当排气中氧含量少(混合气浓)时，氧分子将脱离，使其晶体出现缺陷，便有更多的电子可用来传递电流，材料的电阻亦随之降低。此种现象与温度和氧含量有关，因此，欲将二氧化钛在300～900℃的排气温度中连续使用，必须作温度补偿。图3为氧化钛式氧传感器的结构示意图，它具有2个二氧化钛元件，一个是具有多孔性的用来感测排气中氧含量的二氧化钛陶瓷，另一个则为实心二氧化钛陶瓷，用作加热调节，补偿温度误差。该传感器外端以具有孔槽的金属管作为防护套，一方面让废气进出，另一方面防止里面二氧化钛元件受到外物撞击，传感器接线端以橡胶作为密封材料，防止外界气体渗入。它一般安装在排气歧管或尾管上，可借助排气高温将传感器加热至适当的工作温度。氧化钛式氧传感器的优点是结构简单，造价便宜，抗腐蚀、抗污染能力强，经久耐用，可靠性高。图3.氧化钛式氧传感器结构示意图2.3两种氧传感器的比较早期汽车上使用的控制空／燃比氧传感器为ZrO2固体电解质氧传感器，属于浓差电池型，利用电池两极间的电势差与两极间氧浓度比值的对数成正比的能斯特定律测定氧浓度，但其存在结构复杂、价格昂贵、贵金属催化剂容易受铅毒害等缺点。TiO2是一种良好的氧敏材料，电阻式TiO2氧传感器因其结构简单、价格较低、体积小、不需要参比气体电极而得到了广泛的应用；随着纳米技术的迅速发展，TiO2材料因具有小尺寸效应，表面效应和量子效应等优异特性而有着广阔的发展前景。3.氧传感器的故障原因氧传感器产生故障会造成其反馈信号出现异常，从而使电脑失去对混合气空燃比的调节。若混合气控制比不精确，会使排气净化恶化，因而必须及时排除故障或更换。导致氧传感器出现故障的原因如下：氧传感器破碎失效；氧传感器内部进入油污或尘埃等沉积物，使传感器信号失真；使用含铅汽油使传感器中毒，而使其失效；此外，传感器橡胶垫及涂剂也会使传感器失效；电加热器故障也可能造成传感器在发动机起动及低温时不工作[6]。4.氧传感器的检测氧传感器一般有单线、双线、三线、四线4种引线形式。单线为氧化锆式氧传感器；双线为氧化钛式氧传感器；三线和四线为氧化锆式氧传感器。三线和四线的区别：三线氧传感器的加热器负极和信号输出负极共用一根线，四线氧传感器的加热器负极和信号负极分别各用一根线。图4为四线氧化锆式氧传感器与ECU的连接电路图。图4.四线氧化锆式氧传感器与ECU的连接图4.1氧传感器加热电阻丝电阻的检测点火开关置于“OFF”位置，拔下氧传感器的导线连接器，用万用表的Ω档测量氧传感器接线端中加热器端子和搭铁端子问的电阻，应为4～40Ω，若过大或过小，表示加热元件已损坏，应更换传感器。4.2氧传感器反馈电压的检测拔下氧传感器插头。使发动机以2500r／min转速运转。电压应在0～1V变换(频率约50次／min)如电压保持在0V或1V不变，可用改变油门开度的办法人为地改变混合气浓度：突然踏下油门踏板时产生浓混合气，反馈电压应上升；突然松开油门时产生稀混合气，反馈电压应下降。如果没有变化，说明氧传感器已损坏，应更换。在检测氧传感器的反馈电压时，最好使用指针式万用表，以便直观地反应出反馈电压的变化情况，此外，电压表应是低量程和高阻抗的(阻抗太低会损坏传感器)。氧传感器是否损坏，还可用简易方法判断：拔下氧传感器的插头，从插头处引入2根导线，一根接线路的信号线电路，另一根接控制单元供应电压，两只手分别拿住线路两头，如果发动机的转速发生变化即为氧传感器损坏，否则，为其它部位故障[7]。4.3氧化钛式氧传感器的检测在采用上述方法检测时，良好的氧化钛式氧传感器输出端电压应以2.5V为中心上下波动，否则可拆下传感器并暴露在空气中，冷却后测量其电阻值。若阻值很大，说明传感器良好；反之，则传感器已损坏，应予更换。参考文献：[1]杨邦朝,简家文,张益康.氧传感器与现代生活[J].世界产品与技术,200l(1)[2]陈渝光,汽车电器与电子设备[M].北京:机械工业出版社,1999[3]杨邦朝,简家文等.氧传感器原理与进展[J].传感器世界,20__(8)[4]宋国庆,刘红宇等.新型氧传感器应用[J].黑龙江电子技术,1999(3)[5]张毅等,TiO2氧传感器的研究与进展[J].传感器技术,20__(2).[6]李东江等,汽车电控系统故障检修[M].北京 :机械工业出版社,20__.[7]王宏伟,氧传感器的结构原理与故障分析[J].内燃机,20__(1).